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Fotoeffekt (lichtelektrischer Effekt)

5. Klasse ‐ Abitur

Der Fotoeffekt (lichtelektrischer Effekt) ist die allgemeine Bezeichnung für verschiedene Effekte, bei denen Photonen des sichtbaren, UV-, Röntgen- oder Gamma-Spektralbereichs von Hülle oder Kern eines Atoms absorbiert werden. Die dadurch gewonnene Energie führt in der Regel zur Emission eines Elektrons oder Nukleons.

  • Beim äußeren Fotoeffekt absorbiert ein Leitungselektron eines Metalls ein einfallendes Photon und überwindet dadurch die Anziehung des Atomgitters, tritt also aus der Metalloberfläche aus (Fotoemission, Hallwachs-Effekt). Die kinetische Energie der emittierten Elektronen ist unabhängig von der Intensität, aber proportional zur Frequenz f des einfallenden Lichts: \(E_\text{kin} = h \cdot f - W_\text A\) (Einstein-Gleichung). Dies führte Albert Einstein zur Formulierung der Lichtquantenhypothese, für die er 1921 den Physik-Nobelpreis erhielt (und nicht für seine Relativitätstheorie!). er  (h plancksches Wirkungsquantum, n Lichtfrequenz).
     
  • Beim inneren Fotoeffekt wird ein gebundenes Hüllenelektron in einem Festkörper durch Photonenabsorption freigesetzt, ohne jedoch den Körper zu verlassen. Er tritt nur in Isolatoren und Halbleitern auf. Die Fotoelektronen und die gleichzeitig entstehenden Löcher erhöhen die elektrische Leitfähigkeit des Materials. Technisch genutzt wird dieser Effekt in Fotodioden bzw. Solarzellen.
    Der Name „innerer Fotoeffekt“ wird auch oft für den sog. Auger-Effekt verwendet (nach dem Franzosen Pierre Auger). Dabei gibt ein Elektron einer inneren Elektronenschale, das durch Kernprozesse oder Absorption harter Röntgenstrahlen angeregt wurde, seine Anregungsenergie durch Stöße an weiter außen befindliche Elektronen ab. Dadurch können diese das Atom verlassen. Es handelt sich also sozusagen um eine Selbstionisation des Atoms (Autoionisation).
  • Bei Gasen spricht man vom atomaren Fotoeffekt oder von Fotoionisation, der Effekt tritt bei einer Gasentladung oder in Zählrohren konkurrierend zur Elektronenstoßionisation auf. Der Wirkungsquerschnitt pro Atom ist beim atomaren Fotoeffekt proportional zu Z4/(hf)3 (Z: Kernladungszahl des betreffenden Elements).
  • Analog zum Fotoeffekt in der Elektronenhülle gibt es auch den Kernfotoeffekt, also die photoneninduzierte Emission von Kernteilchen. Grundsätzlich kann man jede Kernreaktion, bei der durch \(\gamma\)-Quanten Teilchen frei werden, als Kernfotoeffekt bezeichnen. Am häufigsten ist die Neutronenemission, außerdem gibt es Reaktionen, bei denen Protonen oder Alphateilchen frei werden. Ist die \(\gamma\)-Energie zu gering, kann eine Art innerer Kernfotoeffekt geschehen, bei dem nur tief liegende Kernniveaus angeregt werden, von denen aus die Anregungsenergie durch \(\gamma\)-Quanten oder sog. Konversionselektronen abgegeben wird. Der Kernfotoeffekt wird zur Konstruktion von transportablen Neutronenquellen benutzt, bei denen ein \(\gamma\)-Strahler von einer Schicht aus 9Be umgeben ist, die Neutronen emittiert.